闲聊 Android Framework 技术

Posted 2021-12-19 冬天的毛毛雨

今天，想跟大家聊聊，Framework开发的那些事。

系统应用开发，现在来说，已经开始脱离系统，单独拿出来开发，系统定制接口，已提供给应用调用，用来增强功能。

原生的桌面，拨号，设置，已经没法做出差异化优势，因此都费尽心机，来进行应用深度开发。

对于之前维护系统应用模块的人来讲，修修补补，真的没有什么成长。每天的工作来说，没有很深的技术壁垒，很容易被别人攻陷。

比如设置，比如联系人，在小的改动，修改故障的时候，没有非常高的要求，做过应用开发的，都可以过来参合一脚，改改问题。而让一个应用开发得去修改系统接口，估计改的心累，并且犹豫不决。

技术壁垒，也便是自己的竞争优势。只有顽强的技术能力，并持之以恒的学习，扩充自己的深度，广度，那么你的位置则牢不可破，不会轻易被替代。

Framework的核心技术

今天从自身的角度，讲讲系统应用开发，该如何向Framework进军，进行学习，掌握更加核心的技术。

有人会说，我做应用风生水起，也游刃有余，不比你们做系统Framework的差，何必把系统应用开发的贬的一文不值。这里要说一下，文中没有这个意思，你的应用做的有声有色，赚的盆满钵满，这里肯定有其因素。比如它的性能，它的界面绚丽，百变主题。或者它有智能识别，等等。这些都叫做差异化产品，有其亮点，特色，才能杀出重围。

而系统应用开发，我这里偏向于手机整机开发中的OEM厂商，主要做出系统，能够保证功能正常，不会花费大量人力精力去做应用深度开发，系统重构的。这里主要会以追求速度，同时满足客户的硬件要求，比如多个霍尔器件，多个温度传感器，多个皮套功能，等等，但很少去大量改动应用架构，以免影响最终量产。

以上，就是特指的这个应用开发人员。随后，我来讲讲，Framework需要掌握哪些知识呢？

操作系统

熟悉我的人都知道，我特喜欢把这个放在第一位，原因很简单，它确实支撑了我随后的所有知识根基，让我能够从容不迫的，将一个个系统拆解出来。

我们就拿安卓来讲，启动过程

Android 启动过程框架

跟linux如出一辙，所以很容易迁移过来，同时，差异化的init进程，完成初始任务，创建安卓世界的孵化器，既然这里要进入安卓世界，而安卓世界的基础语言是java，那么就需要一个Java虚拟机，于是孵化器就要构造一个虚拟机，用来解析执行Java编译出来的字节流。而孵化器本身是由c cpp语言实现，于是Java虚拟机就是由c cpp语言写出来的，linux操作系统也是c（还有一些汇编）写出来的，于是Java虚拟机运行的Java语言，就需要跟c cpp打交道，于是就有了JNI。

孵化器做了几件事情：

1. 完成Java虚拟机的构造
2. 完成JNI对接Java与c的桥梁
3. 加载公共的共享库
4. 等待别人给它发消息，创建新进程

在这期间，孵化器要做一件事情，便是创建system_server ，这个进程要做什么呢？我们创建了一个可以运行Java的虚拟机，这时我们就要提供一堆系统接口，用来协助应用开发，比如请求网络啦，比如创建界面啦，比如定位啦，获取存储卡啦，等等支持，方便用户开发功能。一个平台的好坏，往往取决于它的功能是否强大，是否有丰富的技术文档，以及开发调试工具。

所以就有了一堆线程，比如AMS，WMS，PMS，BT，WIFI，这些都可以在/proc/ system_server_pid/ tast找到记录。

有了这些线程，那么我们就可以轻松的去实现很多功能啦。这时我们就要配套的开发工具，比如AS编辑器，可以编辑，编译出来APK，安装到手机运行。

关于操作系统，需要掌握的知识点为：

1. 进程，线程概念
2. 互斥，死锁机制与原理，如何避免死锁
3. 内存管理机制，虚拟内存
4. 静态库与动态库的区别
5. 进程之间的内存屏障，如何通信（IPC）
6. binder的通信优势

这里先想到这些，注意不是要完成懂所有机制，要的是整体理解即可。如下问题，请思考下，看是否能够答上来。

如果我写了一个应用，名字叫做，com.codegg.home 在主activity里面，加载一个布局，layout_main. xml，布局里面写入了一个TextView，那么我想调试这个TextView，要在com.codegg.home这个进程下断点，还是在system_server进程下断点呢？如果是想调试ActivityThread. java的话？应该在哪个进程下断点呢？

以上答案，都是com.codegg.home下断点，原因是这两个当前的运行进程，都是在com.codegg.home里，所以要调试的话，要在com.codegg.home进程下断点。

那么我们再来思考下，我现在要去追应用的启动过程，start Activity的流程，要在哪个地方下断点呢？

我们知道这个流程，最终核心的都在Activity manager server里面，而它是在system server进程里面，以一个线程的状态存在，于是我们要调试，就要在system server上面下断点了。

搞清楚了system server后，以我们熟悉的AMS WMS PMS 举例。这些服务线程，完成应用的请求任务，将结果返回给应用。比如查看当前运行的所有Activity，就是应用发起请求，从操作系统那里，先找到server manager，这个手里拿到一堆服务的句柄，也可以说令牌，你只能通过这个找到它。

当server manager一看你有权限，就帮你把对应的AMS的句柄给你，这个句柄操作系统也认识，对应到system server的AMS引用上，也就是你通过这个句柄，调用它的方法，操作系统就会将你的请求，传递到system server中去，同时操作系统知道这个句柄是AMS的第20号（这个20号代表查询当前运行的所有Activity的方法），然后就唤醒system server，同时从binder线程池，这个线程跟AMS一样，是个线程，从线程池拿出一个，调用AMS的20号方法。

调用完成后，从操作系统层面，把数据交给调用的应用，实现数据传输。这里面定义的传递数据格式是包裹，也就是序列化数据。

了解进程通信

好了，这块就说这么多，主要是说下进程通信，以及binder这种通信的简单逻辑。这里说下，为什么要通信。

因为操作系统设计，管理的软件单元是进程，进程间本身不联系，彼此看不见。一个进程想跟另一个说话，他两都认识的人是操作系统。因为他们是由操作系统管理的。操作系统通过从硬盘将程序装载进入内存，同时给每一个分配了进程号，于是他们就都在系统里面有了标记，同时每个都起了名字，一个叫我就喜欢吃，一个叫我就喜欢喝。喜欢喝的一个人孤单，他不认识喜欢吃的，他就问操作系统，有没有人喜欢吃的，操作系统一查，说有啊，然后把喜欢吃的的进程号给他，他就可以找到喜欢吃的了。

然后操作系统给他了一辆车，让他把想给喜欢吃的的东西，装在车上寄过去。这个车子是操作系统提供的，这个车子就是通信方式。比如汽车，飞机，步行。

于是进程间的通信方式就是，从操作系统找到目标，然后拿到通信方式，用操作系统给的通信工具，进行通信。

数据结构和算法

这块完成了，我们再来讲一个内容：

文件=文件头+文件内容

我们发现，这里MP3格式，OGG格式，都属于一个文件的格式声明，这个我们可以用HEX工具打开MP3文件，可以看到刚开始的位置，这块属于描述后面的内容该如何解析，比如文件名字，文件大小，文件格式，系统根据这个描述，尝试用对应的解码器解码，解码完成后进行播放。

这里解码器如何解码，就是算法。而文件头，就是描述这个文件的数据结构。

于是，我们就知道

程序=数据结构+算法

比如我要写个贪吃蛇，如何描述蛇的状态，长度，当前轨迹，这些都是需要表征出来，然后围绕着这个描述内容，进行操作，这块就属于算法。

完成的程序，运行起来，就是进程。所以进程是一个存在于内存的东西，操作系统用一个表格记录进程数据，比如进程号，父类进程，进程打开的文件句柄，进程当前状态，进程的上下文（上下文是保存当前CPU的寄存器，保存现场用的，因为寄存器是只有一份，当一个进程被打断时候，另个进程运行，那么之前的就要把它当前的寄存器存下来，防止被别人盖掉，等到下次自己运行的时候，再恢复回来，保证自己运行正常），程序是存在硬盘或者其他存储设备，掉电不会丢失，而进程是内存的，所以掉电就不再了。

程序如何加载，系统如何识别的呢？这就又回到开头的地方，数据结构加算法，也叫文件头和文件内容。源码经过编译链接，变成一个文件，我们亲切的叫它可执行文件。那么我们来说说它。

我们常见的两种可执行文件，windows上面称为PE格式，linux称为ELF，两者都是从COFF格式演化来的，这块参考《链接器与加载器》，喜欢感兴趣，可以下载阅读此书。

程序是如何在CPU执行的？

那么有了格式描述，操作系统就知道如何解析它了，然后把对应的代码段，数据段，堆栈区域配置好，将代码装载进入内存中，然后将下一条执行位置，也就是PC寄存器，指向这个可执行文件配置的text 入口，这个就是程序的入口点，这个我们去写的main方法，可以简单理解成入口，实际情况是在这个前面，系统加入了一些代码，为运行此程序做准备，准备OK才会真正调用到main方法，这段代码叫创建此进程的环境，比如参数，堆栈初始化。

聊到这里，我们从别的纬度，再来看看。

数字电路的与或非逻辑电路，开启了新世界的大门。我们用断点，通电，表示两个状态。我们不能说，好像有电，好像没电，所以，计算机的世界，定义了二进制，因为是非可以界定，孰是孰非不好界定。

于是，在我们的电路板上，规定了0-0.6V，代表了没电，4.4-5V，代表了有电，中间的数值，代表了器件的错误，不稳定性。

于是没电用0表示，有电用1表示，实际世界就是两个区间电压。

CPU在石英晶振的推动下，执行一条条指令。指令是什么呢？就是一串串数字，每一串代表一个具体含义。

所以，CPU能够执行多少条指令，是考量它是否强大的一个重要参数，另一个是它执行一天指令的时间，也叫指令周期，越短越好。也就是两个CPU同时做一个加法，谁用时短谁就强。

CPU拿到一条指令，就会在石英晶振的推动下，将这条指令执行完，然后将PC寄存器加1，读取下一条指令。

我们经常遇到的非法指令，就是因为CPU拿到了一个不认识的数据串，导致异常。比如它的指令集里面，有加法，有减法，你给他说你给我翻个跟头（非法指令），他骂了一句去你的吧，老子不会（异常报错）。一般这种情况是指令不识别，比如你用了新的arm指令，又在旧的arm板子运行这个程序，就会挂掉，提示非法指令。

刚开始的操作系统，嵌入式的操作系统，是没有做内存保护，就是程序段可以跳到数据段执行，当然现在加入了内存管理单元，会将数据段内存描述成可读可写不可执行，如果PC（程序寄存器）指向了这个地方，去读取执行的时候，就会报非法访问。

如果没有保护，你去读取数据段的数据，作为指令执行，出现指令异常就太正常了。

好了，今天就给大家介绍这么多。

最后

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